Nouvelles méthodologies de conception de moules et noyaux architecturés de fonderie sable fabriqués par fabrication additive

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Nouvelles méthodologies de conception de moules et

noyaux architecturés de fonderie sable fabriqués par

fabrication additive

Tugdual Le Neel

To cite this version:

Tugdual Le Neel. Nouvelles méthodologies de conception de moules et noyaux architecturés de fonderie sable fabriqués par fabrication additive. Génie mécanique [physics.class-ph]. École centrale de Nantes, 2019. Français. �NNT : 2019ECDN0022�. �tel-02475842�

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T

HÈSE DE DOCTORAT DE

L'ÉCOLE

CENTRALE

DE

NANTES

C

OMUE

U

NIVERSITÉ

B

RETAGNE

L

OIRE

ECOLE DOCTORALE N°602 Sciences pour l'Ingénieur Spécialité : Génie Mécanique

Nouvelles méthodologies de conception de moules et noyaux

architecturés de fonderie sable fabriqués par fabrication additive

Date de soutenance : le 3 septembre 2019 à Centrale Nantes

Unité de recherche : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique

Par

Tugdual LE NÉEL

LNOM »

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Composition du Jury : Rapporteurs avant soutenance :

Mohamed El Mansori Professeur des universités ENSAM Paris Tech – Campus d’Aix en Provence Frédéric Segonds Maitre de conférences HdR ENSAM Paris Tech

Présidente :

Nadège Troussier Professeur des universités Université de Troyes Directeur de thèse :

Jean-Yves Hascoët Professeur des universités École Centrale de Nantes Co-directeur de thèse :

Pascal Mognol Professeur des universités ENS Rennes Invité :

Didier Horlaville Specialist Engineering & Technology + Advanced Manufacturing Engineering Fellow - Honeywell Garrett –

Advancing Motion

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Table des illustrations

ρ ρ ρ ρ ρ

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· · · · · · · ·

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· ·

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· ·

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30 000 40 000 50 000 60 000

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-

- -

-

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   

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Chapitre 1

- État de l’art

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  

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ρ ρ

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Chapitre 2 -

Coque à épaisseur et de conductivité thermique

variables

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𝐿_{𝑚𝑜𝑢𝑙𝑒} =Lpiece · CpMetal · ρmetal · (Tini− Tsol) _{CpMoule · ρMoule · (Tsol − Tamb)}

𝑇(𝑡) = 𝑇_𝑖𝑛𝑖 + (𝑇_𝑖𝑛𝑖− 𝑇_𝑆)𝑒−(𝑝·𝑡)

(𝜆𝑚𝑜𝑢𝑙𝑒_{𝐿𝑝𝑎𝑟𝑡} ∙_{CpMoule · CpMetal}ρmoule · ρmetal )

          ρ = 2 685 kg∙m-3  Cp = 963 J∙K-1_∙kg-1  k = 237 W∙m-1_∙K-1

(46)

 ρ = 1 600 kg∙m-_³  Cp = 750 J∙K-1_∙kg-1  k = 0,7 W∙m-1_∙K-1  ρ ∙  ∙ ∙  ∙ ∙

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· · · ·

· ·

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    · · · · · · · ·    · · · ·

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

Épaisseur pièce Épaisseur moule Conductivité thermique (mm) (mm) (W∙(K-1∙m)-1) 1 0,56 0,0037 4 2,23 0,059 8 4,47 0,24 16 8,94 0,99 30 16,76 3,37

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-

∙ ∙ ∙ ∙

-

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∙ ∙ · · Épaisseur de pièce Épaisseur de moule Conductivité thermique (mm) (mm) (W·m-1·K-1) 5 25 (W·m-2·K-1) (W·m-2·K-1) 1 0,56 0,0037 60 58 4 2,23 0,059 75 70 8 4,47 0,24 87 80 16 8,94 0,99 94 85 30 16,76 3,37 110 90

Temps pour passer en dessous de 560 °C

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Avant Millieux Arrière 5-1 20,76 20,76 20,76 22,3 22,3 22,3 11 11,6 11,1 236,8 249,7 239,0 5-2 20,4 20,4 20,4 23,06 22,7 22,1 11,15 11,5 11,2 242,3 247,8 238,0 5-3 20,4 20,4 20,4 21,9 22,3 22,15 10,2 10,7 10,2 215,7 228,4 217,0 15-1 20,2 20,1 19,19 21,55 21,55 21,55 9,9 10 10 206,7 208,3 203,7 15-2 20,06 20,06 20,06 21,44 21,58 21,68 10,2 10,1 10 211,7 210,3 208,7 15-3 20,1 20,1 19,9 21,5 21,5 21,5 10,1 10 9,9 210,1 208,0 204,9 25-1 20,2 20,2 20,2 21,55 21,55 21,55 10,2 10,15 10,1 212,9 211,9 210,8 25-2 20,3 20,05 20,05 21,4 21,45 21,6 9,8 10 10,3 204,3 207,5 214,5 25-3 20,1 20,1 20,1 21,7 21,5 21,8 10 9,8 9,7 209,0 203,8 203,2 15-1 20,25 20,15 20,15 21,4 21,6 21,5 10,4 10,15 10,1 216,6 211,9 210,3 15-2 20 20 20 21,1 21,85 21,85 10,15 10,25 10,1 208,6 214,5 211,3 15-3 20 20,3 20 21,7 21,5 21,65 10,5 10,3 10,2 218,9 215,3 212,4 Si lic e A lu m in iu m Épaisseur (mm) Largeur bas (mm) Largeur haut (mm) Surface

(60)

Surface (mm²) Force Max (N) Contrainte Max (MPa) Moyenne TOUTES (Mpa) Moyenne BONNES (Mpa) élongation (%) Moyenne TOUTES (%) Moyenne BONNES (%) 5-1 249,70 28 994 116 3,2 5-2 242,30 28 937 119 2,7 5-3 222,70 29 947 134 3,1 15-1 203,70 28 275 139 3,3 15-2 208,70 26 537 127 4,0 15-3 204,90 22 712 111 2,4 25-1 212,90 23 213 109 2,6 25-2 204,30 25 567 125 3,2 25-3 203,80 23 006 113 2,1 Alu-1 211,90 34 043 161 6,3 Alu-2 208,60 35 007 168 7,1 Alu-3 215,30 33 427 155 5,3 158 6,2 5,8 125 3,0 3,2 - 3,2 0,0 113 2,6 2,1 Si lic e A lu m in iu m 161 123 126 116

(61)

50 100 150 0% 1% 2% 3% 4% C ont rai nt e (M P a) Déformation (%) 5-1 5-2 5-3 50 100 150 0% 2% 4% C ont rai nt e (M P a) Déformation(%) 15-1 15-2 15-3 50 100 150 0% 2% 4% C ont rai nt e (M P a) Déformation (%) 25-1 25-2 25-3 50 100 150 200 0% 2% 4% 6% C ont rai nt e (M P a) Déformation (%) Alu-1 Alu-2 : PB Alu-3 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% Co n tr ai n te (M Pa) Déformation (%) 5 mm 15 mm 25 mm 15 mm Aluminium

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10 20 30 40 50 60 0,00% 0,05% 0,10% 0,15% 0,20% C o ntra inte (MP a) Déformation (%) 5 mm 15 mm 25 mm 15 mm Aluminium

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Chapitre 3

- Architecturation

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Masse (g) Différence Plein 181 0%

5 mm 115 -36%

15 mm 130 -28%

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Axe X Axe Y Axe Z Masse (g) 200,0 200,0 200,0 199,0 199,0 199,0 201,0 201,0 201,0 Coefficient ( · ) 1,48 1,48 1,48 1,47 1,47 1,47 1,49 1,49 1,49 · Masse (g) Volume initial (ml) Compacité initiale (g/cm3) Volume tamis (ml) Compacité tamisé (g/cm3) Coefficient de foisonnement Sable VX 1000 87,8 69,5 1,26 58,0 1,51 1,20

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· ·

(72)

·

Quantité d'alvéoles Surface (mm²) Différence Masse (g) Différence Plein 0 7 200 0% 181 0%

Peu 24 6 000 -17% 166 -8%

Moyenne 33 5 550 -23% 161 -11%

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Chapitre 4

- Grappe

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·

· ·

·

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Chapitre 5

- Multimatériaux

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 ·  ·  · ⋅ · ·   ·

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𝑁 = 𝐺 √𝑅𝐶 (5) · · · ·

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·

· ·

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· · · ·  · ·  · ·  · ·

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·

· · · ·

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  

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 

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   

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         

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Annexe

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𝜆 = 𝐶𝑝∙𝜌 ∙ 𝐷

𝐷 = 𝑑𝑖𝑓𝑓𝑢𝑠𝑖𝑣𝑖𝑡é (𝑚 ∙ 𝑠−2₎

𝜆 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 (𝑊 ∙ 𝑚−1_{∙ 𝐾}−1₎

𝐶𝑝= 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡é 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 (𝐽 ∙ (𝐾 ∙ 𝑘𝑔)−1)

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 

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 λ   λ λ

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     

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     

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     

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𝑁𝑎₂𝑂 ∙ 𝑛𝑆𝑖𝑂₂+ 𝐻₂𝑂 → 2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝑛𝑆𝑖𝑂₂(1) 2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝑚𝑆𝑖 + 𝐻₂𝑂 → 𝑁𝑎₂𝑂 ∙ 𝑚𝑆𝑖𝑂₂+ 𝐻₂ (2) β 𝑁𝑎₂𝑂 ∙ 𝑚𝑆𝑖𝑂₂∙ 𝑥𝐻₂𝑂 + 𝐶𝑂₂ → 𝑁𝑎₂𝐶𝑂₃+ 𝑚𝑆𝑖𝑂₂∙ 𝑥𝐻₂𝑂 (3)   

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Éprouvette Flexion Compression σ (MPa) σ (MPa) Lot 1 1 0,23 0,75 2 0,33 0,81 3 0,23 0,81 1 (2 min) 0,82 1,06 Lot 2 2 (3 min) 0,91 0,88 3 (4 min) 0,35 0,72 1 - 20,14 Lot 3 2 - 22,06 3 - 18,66 1 7,13 13,23 Lot 4 2 8,16 17,56 3 7,85 12,25

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   

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Titre : Nouvelles méthodologies de conception de moules et noyaux architecturés de fonderie sable fabriqués par fabrication additive

Mots clés : Fabrication additive, Impression 3D, fonderie, conception pour la fabrication additive,

optimisation, simulation, DFAM

Résumé : La fabrication additive impacte les

savoirs faire traditionnels du métier de fondeur. Des nouvelles machines déposant couche par couche sable et liant permettent une fabrication d'outillage de fonderie sur mesure, unitaire et plus complexe. Dans le cadre de la présente thèse, on s’intéresse au développement de nouvelles méthodologies de conception des moules et des noyaux de fonderie sable.

La réflexion prend en compte le domaine de conception mécanique, les contraintes, l'obtention d'une pièce optimisée, les contraintes des techniques de fabrication additive et de fonderie.

Un premier chapitre fait un état de l’art de la technique, indiquant que des opportunités de recherches sont à saisir.

Le deuxième chapitre propose une méthodologie de conception d’optimisation -

- de la masse et maitrise du refroidissement du moule par la variation de l’épaisseur et conductivité thermique locale du moule.

Un troisième chapitre s’intéresse à l’impact thermique de l’architecturation des parois. Le quatrième chapitre offre une méthodologie de conception en grappe, permettant d’optimiser la compacité du bac de fabrication. Cette méthode s’intéresse à l’imbrication du jet de coulée. Finalement, le cinquième chapitre propose de pallier le problème des points chauds grâce à la fabrication additive multimatériaux.

Pour argumenter ces chapitres, des essais de conductivité thermique, de résistance mécanique, des simulations, des fabrications, coulées, et analyses sont réalisés.

Ainsi, ces nouvelles règles métiers bénéficieront aux fondeurs de demain.

Title : Novel design methodology of architecture foundry sand molds and cores by additive

manufacturing

Keywords : Additive manufacturing, 3D printing, foundry, design for additive manufacturing,

optimization, simulation, DFAM

Abstract : Additive manufacturing impacts the

traditional skills of the foundry profession. New machines depositing layer by layer sand and binder allow a manufacturing of custom foundry tools, unitary, and more complex. In this thesis, we are interested in the development of new methodologies for the design of molds and cores for sand foundries.

The reflection takes into account the geometrical design, the design constraints, the constraints of additive manufacturing and foundry techniques. A first chapter describes the state of the art, indicating that research opportunities are to be seized.

The second chapter proposes a design methodology for optimizing the mass and controlling the mold’s cooling speed by varying -

- the thickness and local thermal conductivity of the mold. A third chapter deals with the study of the thermal impact by the architecture of the walls.The fourth chapter offers a cluster design methodology, allowing the optimization of the compactness of the manufacturing build volume. This method also proposes a novel design by nesting the casting sprues.

Finally, the fifth chapter proposes to overcome the problem of hot spots by using multi-material additive manufacturing.To support these chapters, tests of thermal conductivity, mechanical resistance, simulations, manufacturing, casting, and analyzes are carried out.

Thus, these new manufacturing guidelines will benefit the founders of tomorrow.